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Cette étude a été menée conformément aux directives du Comité d’éthique de l’Université de Quzhou. Le protocole de recherche a été approuvé par le Conseil d’Éthique Institutionnelle (IRB) de l’Université de Quzhou sous le numéro d’approbation QZU-IRB-2026-037. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé avant leur inclusion dans l’étude.
Préparation expérimentale et recrutement des participants
L’expérience se composait de quatre étapes (Figure 1) : préparation, conception expérimentale, construction du modèle et analyse des résultats. Lors de la phase de préparation, les objectifs de recherche ont été définis sur la base d’une revue de la littérature sur la musicothérapie, l’acquisition de données EEG et les modèles d’apprentissage profond. Lors de la phase de conception expérimentale, 30 participants en bonne santé ont été recrutés pour effectuer des tâches d’écoute musicale. Les signaux EEG et les notes de familiarité musicale ont été enregistrés. Les données EEG ont été standardisées et segmentées en fenêtres de 2048 échantillons avec 1024 échantillons qui se chevauchent. Les caractéristiques de familiarité ont été combinées avec des données EEG comme entrées de modèles. Deux modèles, CNN+RNN et EEGNet, ont été construits. Les couches CNN extrayaient les caractéristiques temps-fréquence, et le LSTM bidirectionnel capturait les dépendances temporelles. Une couche entièrement connectée avec une fonction d’activation softmax a été utilisée pour la classification. Les modèles étaient entraînés avec une taille de lot de 50 pour 30 époques en utilisant l’optimiseur Adam. Un abandon et un arrêt anticipé ont été appliqués. La performance a été principalement évaluée en utilisant la Précision comme métrique rapportée, avec des métriques de Précision, de Rappel et de score F1 également calculées pour une évaluation supplémentaire.
Environnement expérimental et installation des équipements
L’expérience a été menée dans une pièce silencieuse et fermée, exempte d’interférences extérieures, avec une température ambiante maintenue à 27 °C. L’équipement suivant a été utilisé : un dispositif EEG (Muse S, InteraXon Inc.), un système EEG à quatre canaux (TP9, AF7, AF8, TP10) avec une fréquence d’échantillonnage de 256 Hz ; Derniers casques intra-auriculaires E3000 ; et un ordinateur d’acquisition de données fonctionnant sous le SDK Muse et la couche de streaming de laboratoire (LSL).
Avant chaque séance expérimentale, les surfaces de contact auditif des écouteurs étaient nettoyées à l’alcool afin d’assurer l’hygiène et de réduire le risque de contamination croisée. Le casque Muse S était installé sur chaque participant, assurant un contact stable entre les quatre électrodes sèches (TP9, AF7, AF8, TP10) et la peau. Si la qualité du signal était mauvaise, la position du bandeau était ajustée jusqu’à obtenir des signaux stables. Les participants ont été assis sur un fauteuil confortable avec un soutien pour le dos et ont été invités à garder les yeux fermés, à éviter de parler et à minimiser les mouvements corporels importants pendant l’expérience.
Préparation des stimuli musicaux
Trois genres musicaux ont été préparés : rock, lyrique (ballade) et folk. Chaque genre comprenait trois chansons chinoises, pour un total de neuf chansons. Pour contrôler les différences de familiarité musicale, les chansons de chaque genre étaient sélectionnées selon les critères suivants : une vieille chanson ; une chanson populaire actuelle (issue du classement Spotify Top Songs) ; et une nouvelle chanson (tirée du classement Spotify New Releases).
Chaque chanson était montée en un segment audio standardisé, commençant par l’introduction, suivi du couplet, et se terminant au premier refrain, avec une durée totale de 90 à 130 s. Un identifiant unique était attribué à chaque chanson (par exemple, R1–R3, B1–B3, F1–F3) pour l’étiquetage ultérieur des données et la gestion des fichiers.
Procédure expérimentale et enregistrement par questionnaire
Avant l’expérience formelle, un test de volume était réalisé en diffusant un extrait audio de test. Les participants ont ajusté le volume à un niveau clair, confortable et sans trop fort, et l’ont maintenu constant tout au long de l’expérience. L’ordre de lecture des neuf chansons était aléatoire (par exemple, en utilisant un tableau des nombres aléatoires ou une randomisation logicielle) afin de réduire les effets d’ordre. Tous les participants ont accompli les tâches d’écoute musicale de manière indépendante. Chaque segment musical était présenté de l’introduction jusqu’au premier refrain, durant 90 à 130 secondes. Une période de repos de 30 secondes était prévue entre les chansons. Pendant cette période, les participants ont rempli un questionnaire de familiarité via une plateforme en ligne (Questionnaire Star). Les participants ont évalué leur familiarité avec chaque chanson à l’aide d’une échelle de Likert à cinq points (1 = totalement inconnu ; 5 = très familière). L’étiquette de préférence du participant pour chaque chanson a été enregistrée (0 = n’aime pas ; 1 = j’aime) selon le schéma de classification binaire prédéfini. La procédure expérimentale complète est illustrée à la Figure 2.
Acquisition EEG et enregistrement des données
Les données EEG étaient acquises via le SDK officiel Muse et diffusées via la couche de diffusion Lab Streaming (LSL). Les données EEG correspondantes à chaque chanson étaient enregistrées sous forme de fichiers CSV (Comma-Separated Values), contenant au minimum les champs suivants : horodatage (millisecondes) ; des signaux EEG bruts provenant de quatre canaux (TP9, AF7, AF8, TP10) ; score de familiarité enregistré manuellement (1–5) ; et étiquette de préférence (0/1). Une convention cohérente de nommage de fichiers a été utilisée (par exemple, S01_R1.csv, indiquant participant 01 et chanson rock 1) pour faciliter le traitement automatisé et la traçabilité.
Prétraitement, normalisation et fenêtrage des données
Les signaux EEG étaient enregistrés à l’aide d’un appareil EEG Muse S à quatre canaux avec une fréquence d’échantillonnage de 256 Hz, et des programmes personnalisés étaient développés à l’aide du kit de développement officiel. Les données EEG brutes étaient acquises via la couche de diffusion de laboratoire (LSL) et enregistrées au format CSV. Les fichiers CSV comprenaient les colonnes suivantes : horodatage (millisecondes), valeurs EEG à quatre canaux (TP9, AF7, AF8, TP10), notes de familiarité musicale des utilisateurs (1–5) et préférences musicales des utilisateurs.
Le nombre total d’entrées de données correspond à plusieurs fenêtres générées pour chaque participant et chaque morceau musical, ce qui donne un ensemble de données à grande échelle selon le schéma de fenêtrement. Dans l’expérience originale, la préférence musicale était représentée par une étiquette binaire (0 = n’aime pas, 1 = aime), ce qui peut conduire à une précision artificiellement élevée et à une généralisation limitée du modèle.
Pour améliorer la portée pratique de la tâche de prédiction, les étiquettes de préférence ont été converties en une échelle de notation multi-niveaux : 0 = Fortement en désaccord ; 1 = Désaccord ; 2 = Neutre ; 3 = D’accord ; 4 = Totalement d’accord.
Avant l’apprentissage automatique, les données étaient standardisées et segmentées en fenêtres de 2048 échantillons chacune, avec 1024 échantillons chevauchant entre des fenêtres adjacentes afin de préserver la continuité temporelle. De plus, l’augmentation des données a été appliquée pour augmenter le nombre d’échantillons d’entraînement et réduire le risque de sur-ajustement.
Architecture du modèle
Le modèle de recherche se composait de trois couches convolutionnelles, trois couches de pooling et une couche entièrement connectée. Le pooling max était utilisé pour la sélection des caractéristiques, le dropout était appliqué pour réduire le surapprentissage, et la sortie finale était générée à l’aide d’une couche de classification softmax. Chaque fenêtre d’entrée comprenait des signaux EEG à quatre canaux (2048 échantillons par fenêtre) et une fonction de familiarité. La production représentait une cote de préférence de cinq classes. L’architecture est illustrée à la Figure 3, et les paramètres du modèle sont présentés dans le Tableau 2.
Entraînement et validation croisée du modèle
Le jeu de données a été divisé aléatoirement en 80 % pour l’entraînement et 20 % pour les tests. Une validation croisée dix fois a été appliquée, avec un sous-ensemble utilisé pour la validation et les neuf autres pour l’entraînement à chaque itération. Ce processus a été répété dix fois, et les résultats ont été agrégés. Les hyperparamètres d’entraînement étaient définis comme suit : Époques = 30 ; Taille du lot = 50 ; Optimiseur = Adam ; Fonction de perte = croisée catégorielle ; Métrique d’évaluation = Précision. La performance du modèle a été enregistrée uniquement en EEG et EEG + familiarité, à la fois pour tous les genres réunis et pour les genres individuels.
Méthodes d’analyse statistique
L’analyse des données a été réalisée avec Python 3.10 avec TensorFlow 2.12, Keras 2.12 et MNE-Python 1.3. Le traitement et l’analyse des données ont été réalisés à l’aide de Pandas 2.1 et NumPy 1.26. Les indicateurs de performance issus de la validation croisée 10 fois ont été agrégés, et les valeurs de moyenne et d’écart-type ont été calculées. Des comparaisons statistiques entre les conditions ont été réalisées à l’aide de tests t par paires ou de tests Wilcoxon signed-rank, avec un niveau de signification de P < 0,05.